FELIPE DE CARVALHO MORAES FACULDADES DOCTUM DE CARATINGA
ANÁLISE DE VIABILIDADE PARA O EMPREGO DE TRANSFORMADORES DE NÚCLEO AMORFO - ESTUDO DE CASO APLICADO A EMPRESA APA
CONFECÇÕES
CARATINGA 2018
ANÁLISE DE VIABILIDADE PARA O EMPREGO DE TRANSFORMADORES DE NÚCLEO AMORFO - ESTUDO DE CASO APLICADO A EMPRESA APA
CONFECÇÕES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica das Faculdades Doctum de Caratinga, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Área de Concentração: Eficiência Energética.
Orientador: Prof. Joildo Fernandes Costa Júnior.
CARATINGA 2018
Agradeço em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu Caminho durante essa caminhada.
Primeiramente agradeço a Deus por conceder o maior presente que poderia ter recebido que é o dom da vida. Aos meus pais Paulo Enéas e Enilda Moraes, meu irmão Enéias Moraes, esposa Núbia Skristell e cunhada Kethney Wenceslau por ter estado sempre ao meu lado e dado sempre o melhor para poder vencer a todos os obstáculos.
Às escolas que eu passei ao longo da minha caminhada desde o ensino fundamental ao ensino médio que forneceram todos os ensinamentos a respeito do universo acadêmico. Principalmente o CEFET-MG Campus III Leopoldina - MG que abriu as maiores possibilidades no âmbito profissional com um curso técnico de qualidade.
A Energisa Soluções agradeço pelo acolhimento ainda como estagiário que possibilitou em grandes avanços na minha vida profissional e pessoal. Não poderia esquecer a participação nas PCHs São Sebastião do Alto e Novo Horizonte no início da carreira de técnico de operação de usina. Agradeço a toda equipe da PCH Areia Branca, por todos ensinamentos e experiências compartilhadas neste lugar que definitivamente mudou minha vida. Nominalmente agradeço a Luã Martins pela sua amizade e por todas as portas que abriu em minha vida profissional, sem suas intervenções certamente não estaria alcançando esse objetivo.
A Faculdade Doctum Campus Caratinga por esse período de aprendizado e transformação. Ao coordenador Joildo Fernandes pela amizade e companheirismo sempre motivando a ser sempre melhor. Aos meus mestres obrigado pelo conhecimento transferido. Aos meus amigos Carlos da Mata e Igor Nery que estiveram comigo do início ao fim nesta caminhada.
Este trabalho apresenta para o setor elétrico uma avaliação completa do desempenho dos transformadores com núcleo amorfo, bem como a respostas a respeito da viabilidade para sua implantação.
Através de um estudo que utilizou bases teóricas, examinou-se as perdas à vazio que estavam ocorrendo no núcleo dos transformadores da APA Confecções e simulou-se o impacto financeiro que uma possível substituição por transformadores mais eficientes proporcionaria.
Análises de comparação entre as perdas à vazio de transformadores com ambos os núcleos também foram executados, utilizando como base transformadores classes de tensão semelhantes aos que são empregados nas redes de distribuição, com intuito de apresentar às concessionárias um levantamento técnico a respeito do desempenho dos transformadores que estão sendo utilizados atualmente.
Também foram mensurados os ganhos envolvendo a redução do consumo e demanda que a substituição dos transformadores representariam. Por fim, determinou-se o payback, ou seja o período de tempo em que a empresa levaria para obter retorno do investimento realizado para substituição dos transformadores que estão instalados atualmente.
Palavras chave: Transformadores de núcleo amorfo. Eficiência energética. Perdas à vazio em transformadores.
This work presents for the electrical sector a complete evaluation of the performance of the amorphous core transformers, as well as the answers regarding the feasibility for its implantation.
Using a theoretical study, the vacuum losses that were occurring in the core of the APA Confecções transformers were examined and the financial impact that a possible substitution by more efficient transformers would be simulated.
Comparison between the losses in the vacuum of transformers with both cores were also performed, using transformers as voltage classes similar to those used in the distribution networks, in order to present to the concessionaires a technical survey on the performance of the transformers which are currently being used.
The gains involving the reduction of consumption and demand that the substitution of transformers would also represent were measured. Finally, it was determined the payback, that is the period of time in which the company would take to obtain return of the investment realized to substitute of the transformers that are currently installed.
Key words: Amorphous core transformers. Energy efficiency. Loss on vacuum in transformers.
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica AT Alta Tensão
BT Baixa Tensão CM Centímetro
EPE Empresa de Pesquisa Energética
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística HM Hectômetro
KM/h Quilômetro por hora KWh Quilowatt Hora
M Metros
MWh Mega Watt Hora TWh Tera Watt Hora
PCH Pequena Central Hidrelétrica W/Kg Watt por Quilo
SEP Sistema Elétrico de Potência MG Minas Gerais
PB Paraíba
Tabela 1: Comparativo de Perdas à vazio - Transformadores Monofásicos ... 37
Tabela 2: Comparativo de Perdas à Vazio - Transformadores Trifásicos ... 38
Tabela 3: Características Técnicas dos Transformadores da APA Confecções ... 39
Tabela 4: Comparativo com os resultados dos ensaios de perdas à vazio entre os núcleos de aço silício e núcleo amorfo ... 40
Tabela 5: Quantificação das Perdas à Vazio ... 41
Tabela 6: Perdas à Vazio em Horários de Ponta e Fora de Ponta ... 42
Tabela 7: Totalização das Perdas à Vazio para o mês de setembro / 2018 ... 43
Tabela 8: Estrutura Tarifária Energisa Minas Gerais – Consumo ... 43
Tabela 9: Quantificação econômica das Perdas à vazio ... 44
Tabela 10: Estrutura Tarifária Energisa Minas Gerais – Demanda ... 45
Tabela 11: Estrutura Tarifária Energisa Minas Gerais – Demanda ... 45
Figura 1: Núcleo do Tipo Envolvido ... 22
Figura 2: Núcleo do Tipo Envolvido ... 22
Figura 3: Núcleo do Tipo Envolvente ... 23
Figura 4: Núcleo do Tipo Envolvente ... 24
Figura 5: a) Estrutura Amorfa / b) Estrutura Cristalina ... 27
Figura 6: Curva de magnetização ... 28
Figura 7: Comparativo das Perdas em W/kg ... 29
1 INTRODUÇÃO ... 13
2 DESENVOLVIMENTO ... 17
2.1 Transformadores ... 17
2.1.1 Evolução dos materiais utilizados na construção do núcleo de transformadores de distribuição ... 18
2.1.2 Perdas ... 19
2.1.3 Aspectos construtivos ... 21
2.2 Tipos de núcleo ... 21
2.2.1 Núcleo do tipo envolvido ... 22
2.2.2 Núcleo do tipo envolvente ... 23
2.2.3 Materiais usados no núcleo dos transformadores ... 24
2.2.3.1 Aço silício ... 25
2.2.3.2 Ligas amorfas ... 26
2.2.3.3 Comparação entre ligas amorfas e aço silício ... 26
2.3 Rendimento de um transformador ... 30
2.4 Corrente de excitação ... 31
2.5 Ensaios... 31
2.5.1 Ensaio de perdas a vazio ... 31
3 METODOLOGIA ... 33
3.1 Viabilidade técnica e econômica ... 33
3.2 Estudo de caso aplicado a empresa Apa Confecções ... 34
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 35
4.1 Ensaios dos transformadores ... 35
4.1.1 Comparativo de perdas em vazio ... 36
4.1.1.1 Perdas a vazio em transformadores monofásicos ... 36
4.1.1.2 Perdas a vazio em transformadores trifásicos ... 37
4.2 Estudo de caso aplicado a APA confecções ... 38
3.2.1 Perdas à vazio nos transformadores da Apa Confecçôes ... 39
3.2.2 Quantificação das perdas à vazio ... 40
em ambos os núcleos será possível estabelecer o cálculo da amortização desses valores num possível investimento de substituição dos transformadores da APA
Confecções. ... 46
3.2.2.1 Payback Simples ... 47
4. CONCLUSÃO ... 49
4.1 Trabalhos futuros ... 49
4.1.1 Quantificação do impacto das Perdas à Vazio no Sistema Elétrico Brasileiro . 49 BIBLIOGRAFIA ... 50
ANEXOS ... 53
ANEXO A: FATURA DE ENERGIA APA CONFECÇÕES SETEMBRO 2018 (FRENTE)... 53
ANEXO B: FATURA DE ENERGIA APA CONFECÇÕES SETEMBRO - 2018 (VERSO) ... 54
ANEXO C: LAUDO TÉCNICO DO TRANSFORMADOR 1 DA APA CONFECÇÕES COM OS RESULTADOS DOS ENSAIOS ... 55
ANEXO D: LAUDO TÉCNICO DO TRANSFORMADOR 2 DA APA CONFECÇÕES COM OS RESULTADOS DOS ENSAIOS ... 56
ANEXO E: LAUDO TÉCNICO DO TRANSFORMADOR 3 DA APA CONFECÇÕES COM OS RESULTADOS DOS ENSAIOS ... 57
ANEXO G: ORÇAMENTO DO TRANSFORMADOR COM NÚCLEO AMORFO 300 KVA VIJAI... 59
1 INTRODUÇÃO
Com a crescente demanda de energia elétrica recorrente atualmente, uma discussão que têm se apresentado cada vez com mais frequência é a redução das perdas no processo de geração, transmissão e distribuição de energia. Estima-se que atualmente no Brasil, 15% de toda a geração de energia elétrica é perdida e o sistema de distribuição é o responsável pela maioria destas perdas.
Um dos equipamentos responsáveis por estas perdas nos sistemas de distribuição de energia são os transformadores. Estes equipamentos são empregados em grande número em toda a rede e são responsáveis por adequar os níveis de tensão da rede primária às necessidades de consumo.
Tendo em vista o impacto que o setor de distribuição detém nas perdas ocorridas em todo sistema elétrico brasileiro e a importância dos transformadores de distribuição neste contexto, este trabalho contribuirá de forma significativa apresentando um estudo sobre o desempenho destes transformadores e formas de melhoria da eficiência destes equipamentos.
A eficiência de um transformador está diretamente ligada as perdas técnicas ocorridas. Estima-se que as perdas ocorridas nos transformadores de distribuição usados atualmente, correspondem a um terço das perdas totais ocorridas no sistema elétrico. Estas perdas causam redução da oferta de energia, prejuízos financeiros e são razão da realização de vários estudos ao redor do mundo com intuito de pesquisar alternativas mais eficientes para substituição destes equipamentos (CASTRO, 2010).
Os transformadores de distribuição de núcleo amorfo prometem reduzir as perdas em vazio em aproximadamente 75% quando comparado com os transformadores que são utilizados atualmente. Estas perdas ocorrem devido a corrente de Foucalt e a histerese magnética. Estes transformadores utilizam uma corrente de excitação menor e também trabalham em temperaturas reduzidas. A importância do emprego destes transformadores nos sistemas de distribuição se dá pela redução do consumo e do desperdício de energia além da redução ocorrida também nos investimentos em geração de energia elétrica.
A aplicação de ligas amorfas em núcleos de transformadores teve início em 1975. O primeiro transformador de núcleo amorfo a ser disponibilizado no mercado
só veio ocorrer em 1976. Naquela oportunidade, o Laboratório Lincoln do Instituto Tecnológico de Massachusetts nos Estados Unidos produziu as primeiras amostras. Estas primeiras peças apresentaram melhora nos índices de eficiência destes transformadores quando comparado aos transformadores com núcleo de aço-silício. Os resultados dos ensaios realizados a época no tocante as perdas em vazio mostraram uma redução de 87,5%. O índice de corrente de excitação que é outro fator importante a ser levado em consideração também apresentou queda considerável.
O interesse inicial pelo emprego dos transformadores com núcleo amorfo nas redes de distribuição ocorreu de forma tímida em todo o mundo até meados dos anos 90. A motivação por esse desinteresse se dava pelo alto preço para aquisição destes equipamentos quando comparado aos transformadores com núcleo de aço silício.
Estratégias para o aumento da aplicação destes transformadores com núcleo amorfo ao redor do mundo tem sido intensificadas com intuito de reduzir as perdas eliminando os desperdícios para melhoria da eficiência dos sistemas elétricos. Estados Unidos e Japão tem dado incentivo para que as distribuidoras invistam nesses equipamentos devido a necessidade de ampliação da oferta de energia.
Estudos realizados na Europa indicam que as perdas de energia elétrica nos transformadores representam um terço das perdas ocorridas nos sistemas de distribuição e transmissão. Estima-se que se os 950 mil transformadores de distribuição de núcleo de aço silício que estão instalados nas redes de distribuição fossem substituídos por transformadores com núcleo amorfo a redução dos respectivos índices de perdas poderiam ser reduzidos em até 51,9% e isto representa 11,4TW/h/ano (CASTRO, 2010).
Na Ásia o Japão foi o pioneiro na aplicação de transformadores com núcleo amorfo em suas redes de distribuição. Atualmente o Japão possui ao menos quatro fabricas destes transformadores e uma fábrica de metal amorfo. Outros países da região como Austrália, China, Coréia, Filipinas e Tailândia possuem fábricas destes transformadores.
A Hitachi é a maior fabricante mundial destes transformadores e possui uma capacidade de produção de 140 mil peças anuais. Esta fábrica atende o mercado Europeu.
No Brasil por muitos anos o estudo se limitou a ensaios experimentais no ambiente acadêmico. Atualmente o Brasil já possui fabricantes destes transformadores em território nacional, porém a implantação destes transformadores ainda é tímida.
Neste contexto, a apresentação deste estudo será de extrema importância para que as concessionárias e as indústrias tenham mais confiança para fazer o investimento de forma segura.
O objetivo central deste trabalho é a análise da viabilidade técnica e econômica para implantação de transformadores com ligas amorfas em redes de distribuição
Alguns objetivos específicos que foram aplicados para o alcance do objetivo central são:
A) Avaliação das perdas nos transformadores de distribuição com núcleo amorfo e com núcleo de silício por meio de resultados de ensaios.
B) Analisar as vantagens e desvantagens do emprego de ambos os tipos de transformadores nos sistemas de distribuição;
C) Comparativo do custo operacional destes transformadores;
D) Payback comparativo para análise do investimento entre os transformadores;
Este trabalho trará para o setor elétrico uma avaliação completa do desempenho dos transformadores com núcleo amorfo, bem como as respostas a respeito da viabilidade econômica para sua implantação.
Estudos realizados nos Estados Unidos da América indicam as perdas ocorridas no núcleo constituem em 60% das perdas totais em um transformador de distribuição padrão e 45% do total das perdas que ocorrem em toda a rede de distribuição (Da Silva, 2015).
Caso seja viável, a implementação destes transformadores proporcionará uma importante redução do custo efetivo do sistema elétrico e aumento da oferta de energia. A abertura desta alternativa para as concessionárias distribuidoras poderá representar ganhos econômicos e sociais com a redução dos custos e será de grande valia para o alcance de um sistema elétrico que apresente maior
rentabilidade para seus acionistas e até uma depreciação do custo deste serviço para a sociedade.
2 DESENVOLVIMENTO
Nesse tópico serão discutidos alguns aspectos a respeito dos transformadores de distribuição com núcleo de aço silício e com núcleo utilizando metal amorfo e serão colocadas em evidência as visões de autores sobre o assunto. É importante conhecer alguns conceitos para uma maior compreensão do estudo proposto.
2.1 Transformadores
Um transformador, em sua essência, pode ser definido como uma máquina elétrica estática, sem partes móveis, no qual sua função é transformar um nível primário de tensão em um segundo ou mais níveis de tensão, através de dois ou mais enrolamentos que são acoplados por meio de um fluxo magnético comum regido pelas fundamentações da lei de Faraday e lei de Lenz (Fitzgerald, 2006).
O princípio de funcionamento de um transformador se baseia na indução magnética. Esse fenômeno foi descoberto por dois cientistas, o inglês Michael Faraday e o americano Joseph Henry, porém de forma independente.
Faraday apresentou uma série de experiências comprovou o princípio de Indução Eletromagnética de forma convincente. Ele descobriu que uma corrente que flui em uma bobina de fio enrolado a um pedaço de ferro converteria o ferro em um imã e que se fosse inserido em outra bobina com um galvanômetro ligado a seus terminais haveria circulação de corrente. Porém percebeu que essa corrente durava pouco tempo, assim ao variar o campo magnético ao ligar e desligar a outra bobina surgia uma corrente elétrica na outra bobina. A invenção de Faraday continha toda a base teórica dos elementos dos transformadores que são duas bobinas independentes e um núcleo de ferro formando um circuito fechado (Da Silva, 2015).
Os estudos realizados por Joseph Henry constataram que a interrupção de corrente induzia uma alta tensão na bobina devido a rápida variação de fluxo (Lucas, 2000).
A descoberta de Faraday e Henry ficou restrita a aplicação até o surgimento dos sistemas elétricos de corrente alternada para a distribuição de energia.
Em 1882 Sebastian Ziani de Ferranti projetou um dos primeiros sistemas de energia de corrente alternada juntamente com Wilian Thonson. Para esse sistema foi criado o primeiro transformador. Gaulard e Gibbs mais tarde projetaram um transformador semelhante, porém este transformador teria sido construído com o núcleo aberto e não se mostrou eficiente (Lucas, 2000).
O primeiro transformador prático foi inventado pelos engenheiros Karoly Zipernowsky, Otto Blanty e Miksa Déri em 1885. Eles foram responsáveis por determinar que os transformadores com núcleo aberto eram impraticáveis pois não eram capazes de regular a tensão de modo confiável. Propuseram então a utilização de um núcleo fechado em uma forma toroidal. Algumas melhorias foram aparecendo também nessa época como a construção do núcleo a partir de chapas de ferro isoladas por folhas de papel finas e o emprego de lacunas ajustáveis para regular o campo magnético presente no enrolamento secundário (Lucas, 2000).
Por fim, em 1889 o engenheiro Mickhail Dolivo desenvolveu o primeiro transformador trifásico.
2.1.1 Evolução dos materiais utilizados na construção do núcleo de transformadores de distribuição
O desempenho e a eficiência dos transformadores estão diretamente ligados aos materiais que são empregados durante o processo de fabricação do núcleo destes equipamentos. A descoberta de matérias e adoção de novas técnicas de fabricação ao longo dos anos foram responsáveis pela gradual melhora dos índices de eficiência destes equipamentos (Da Silva, 2015).
O núcleo dos primeiros transformadores era fabricado com ferro forjado e era um projeto do tipo a seco usando o ar como isolante dielétrico e fluido de arrefecimento.
A tecnologia de fabricação de materiais especializados para serem empregados nesses equipamentos se iniciou por volta de 1900. A adição de pequenas quantidades de silício ou alumínio ao aço de baixo carbono propiciou a época uma melhora dos índices das perdas por histerese, aumento da permeabilidade magnética, aumento da resistividade assim como a redução das perdas por correntes parasitas (Lucas, 2000).
Os primeiros núcleos de aço silício foram produzidos usando aço de grão não orientado. Esses aços são obtidos através de um processo de laminagem à quente em que os grãos são dispostos de maneira aleatória de modo que as propriedades magnéticas sejam independentes da direção da laminação proporcionando assim uma facilidade para passagem de fluxo magnético ( Da Silva, 2015). Nessa mesma época ocorreu o desenvolvimento de um fluido para aplicação dielétrica. A partir do estudo desenvolvido a respeito da propriedade deste fluido, começou a ser produzido óleo mineral projetado especificamente para aplicação em transformadores (Da Silva, 2015).
Na década de 30, foi implementada a laminação a frio de aço silício de grãos orientados, sendo este um método de produção de chapas de aço com orientação dos grãos onde tanto as perdas no núcleo quanto a permeabilidade magnética variam dependendo da direção do fluxo magnético em função da direção na qual o material foi laminado.
Em 1968 teve início de produção o aço silício em forma de grãos orientados de elevada permeabilidade magnética. A permeabilidade alcançada era três vezes maior do que o melhor grão orientado de aço laminado a frio (MCLYMAN, 2004). Estes aços silício de grãos orientados representaram uma redução de 40% no ciclo de histerese, obtendo uma redução de energia dissipada a cada ciclo, consequentemente reduzindo a perda magnética e melhorando o desempenho (Islam, 2012).
O desenvolvimento de ligas amorfas para aplicação nos núcleos de transformadores tiveram início em 1975. O primeiro transformador com núcleo amorfo foi produzido na Laboratório Lincoln do Instituto Tecnológico de Massachusetts dos Estados Unidos em 1976 (Campos, 2006).
Na década de 90, foi desenvolvido uma nova classe de fluidos isolantes para aplicação em transformadores, o qual foi obtido a partir do óleo vegetal, sendo esses fluidos denominados fluidos ecologicamente corretos devido a sua característica biodegradável e renovável (Uhren, 2007).
2.1.2 Perdas
Segundo (Cardoso, 2005), o estudo da eficiência de transformadores de distribuição, que tem sido amplamente difundido na Europa, é motivado pelas
perdas de energia que, no sistema elétrico mundial como um todo, é da ordem de 1.279 TWh. Este valor varia para cada país entre 3,7% e 26,7% do consumo de energia e demonstra um grande potencial de melhoria tanto no aspecto técnico, quanto no econômico.
O potencial de economia de energia anual para uma planta com 2,5 milhões de transformadores de distribuição de 30 KVA, para uma determinada demanda, é em torno de 502.750 MWh/ano para concessionárias resultando em uma economia de R$ 46,95 milhões por ano (Picanço, 2006).
Em alguns países europeus, por exemplo, o potencial anual de economia de eletricidade em transformadores de distribuição, avaliado segundo PROPHET – Promotion Partnership for High Efficiency Transformers é em torno de 22 TWh para concessionárias além da não emissão de 9 Mt/ano de CO2 (Leonardo, 2006).
Segundo (Nogueira, 2009), as perdas são conhecidas como “escoamento de potência”, que fazem com que a potência de saída do transformador seja diferente da potência de entrada.
As perdas dos transformadores são divididas em perdas a vazio, que são constantes e independentes do regime de cargas e perdas sob carga. As perdas impõem dois problemas distintos aos sistemas elétricos. O primeiro é relacionado com a necessidade de potência disponível, ou seja, capacidade instalada de geração. Já o segundo é relacionado com a disponibilidade de energia. Deste modo, o custo das perdas pode ser dividido em duas parcelas uma relacionada com os requisitos de demanda e a outra com os requisitos de consumo, ou em última análise, custos de expansão e fornecimento (NOGUEIRA, 2009).
As perdas no núcleo são determinadas pelo fluxo estabelecido no circuito magnético e são constantes em uma dada tensão para cada transformador. Elas aparecem sempre que o transformador é ligado à rede e independem da carga que está sendo alimentada. As características construtivas do transformador e as propriedades magnéticas das ligas de aço-silício interferem diretamente no valor das perdas no núcleo (STINGANT, S. A. and FRANKLIN, A. C., 1973),
(NOGUEIRA, 2009) apresentaram as características das perdas que ocorrem no núcleos dos transformadores:
É decorrente do Efeito Joule que ocorre nos condutores dos enrolamentos do transformador ao serem percorridos pela corrente elétrica. É proporcional ao quadrado da corrente do enrolamento.
B) Correntes de Focault
São também conhecidas como correntes parasitas. Estas correntes circulam no interior do núcleo do transformador quando este é submetido a um fluxo variante, provocando perdas por efeito Joule. Esta perda é proporcional ao quadrado da tensão aplicada no transformador.
C) Histerese
Está associada a reorganização dos momentos magnéticos atômicos do material ferromagnético que compõe o núcleo do transformador. Cada vez que o ciclo de histerese é percorrido, uma parcela de energia é gasta para que estes momentos magnéticos sejam realinhados.
D) Fluxo de dispersão
Os fluxos magnéticos que concatenam com apenas um enrolamento e cujas trajetórias são definidas majoritariamente através do ar são denominados fluxos de dispersão. Estes fluxos apresentam uma indutância própria para as bobinas.
2.1.3 Aspectos construtivos
Nesta seção serão abordados os tipos de construção dos enrolamentos no núcleo, e os tipos de lâminas que podem ser empregadas para formar o núcleo de um transformador.
2.2 Tipos de núcleo
Em geral, os transformadores de potência são construídos sob a forma de dois tipos de núcleo, do tipo envolvido ou do tipo envolvente. Essa denominação
refere-se a maneira como os enrolamentos estão dispostos no núcleo (CHAPMAN, 2013).
2.2.1 Núcleo do tipo envolvido
Neste tipo de núcleo, o fluxo magnético percorre um único caminho, como verificado na Figura 1, e a parte do núcleo que contém o enrolamento, é comumente chamada de perna ou coluna.
Figura 1: Núcleo do Tipo Envolvido
Fonte: Dasgupta, 2009
De acordo com a Figura 2, os enrolamentos são montados ao redor das pernas de forma cilíndrica e concêntrica; na grande maioria das vezes, o enrolamento de Baixa Tensão (BT) é localizado na parte mais interna do cilindro, e o enrolamento de Alta Tensão (AT) na parte mais externa; para balancear o peso e aproveitar melhor a distribuição do fluxo magnético. Há divisão das bobinas, de modo que fique, aproximadamente, metade dos enrolamentos de BT e AT em cada uma das pernas, as principais vantagens para esse tipo de núcleo são fácil reparo, melhor resfriamento e construção simplificada (AGUIAR, 2007).
Fonte: Aguiar, 2007
2.2.2 Núcleo do tipo envolvente
Neste tipo de núcleo, o fluxo magnético percorre mais de um caminho, como pode ser verificado na Figura 3, ou seja, os enrolamentos estão sobre uma perna central, por onde passa o fluxo magnético total, e em seguida, o fluxo percorre as colunas laterais (as quais possuem a metade da seção reta da perna que contém os enrolamentos).
Figura 3: Núcleo do Tipo Envolvente
Fonte: Dasgupta, 2009
Os enrolamentos são dispostos sobre a perna central e formando camadas alternadas, entre baixa e alta tensão, como verificado na Figura 4.
A vantagem deste tipo de arranjo está relacionada quando, exposto a sistemas desequilibrados e presença de harmônicos haverá caminho independente para os fluxos de sequência zero (Aguiar, 2007).
Figura 4: Núcleo do Tipo Envolvente
FONTE: Aguiar, 2007
2.2.3 Materiais usados no núcleo dos transformadores
O desempenho e a eficiência dos transformadores estão diretamente relacionados ao tipo de material utilizado na construção do núcleo. Ao longo dos anos, a descoberta de novos materiais, as técnicas de fabricação e isolamento das chapas foram progressivamente qualificadas, conduzindo a significativas melhorias no desempenho dos transformadores.
Para melhor condução do fluxo magnético e redução o fluxo disperso o núcleo do transformador deve ser composto por material ferromagnético. Para reduzir os efeitos causados por correntes parasitas, o núcleo deve ser laminado, ou seja, no lugar de usar material maciço utiliza-se lâminas do material ferro magnético, que são isoladas entre si. Materiais utilizados em núcleo de transformadores possuem ferro e ligas adicionais, e através de tratamentos especiais obtém-se as propriedades ideias para fabricação de lâminas para ser utilizadas em máquinas elétricas.
Abaixo serão apresentadas alguns materiais ferromagnéticos que são empregados em transformadores de distribuição:
A) Aço Silício; B) Ferro Níquel; C) Ferro Cobalto; D) Ligas Amorfas.
2.2.3.1 Aço silício
No começo do século XX, o metalurgista Robert Hadfield estudou as propriedades eletromagnéticas das ligas de ferro-silício (Fe-Si), e observaram que a resistividade do Fe era bastante aumentada com a adição do silício, o que contribuía para a redução das perdas causadas por correntes parasitas.
Com este estudo, ocorreu o início do desenvolvimento tecnológico da fabricação e utilização do aço silício. No início, foram desenvolvidos os aços de grão não orientados, nos quais a estrutura cristalina não possui orientação definida, proporcionando facilidade de passagem do fluxo magnético em qualquer direção. Esse tipo de aço é particularmente indicado para uso em estatores de máquinas elétricas rotativas. Em 1934, Norman Goss criou um método de produção de chapas de aço silício de grãos orientados (GO), cuja estrutura cristalina possui uma direção preferencial de magnetização, potencializando assim a sua utilização em núcleos de transformadores.
Segundo (Teixeira, 2011), o silício apresenta algumas características favoráveis e outras desfavoráveis, são elas:
Características favoráveis: A) Diminuição da magnetostricção;
B) Diminuição da anisotropia magnetocristalina; C) Aumento da resistividade elétrica;
Características desfavoráveis: A) Diminuição da ductibilidade;
2.2.3.2 Ligas amorfas
Segundo (Flores, 1989), na década de 60 foram descobertas as propriedades ferromagnéticas dos metais amorfos, embora as mesmas já tivessem sido previstas por simulações, e feitas as primeira fitas de material uniforme. Estas ligas amorfas tem uma interessante combinação de propriedades como consequência de sua estrutura molecular incomum.
Segundo (Teixeira, 2011), o Metal Amorfo é uma liga que possui uma estrutura não-cristalina, que é formada pelo resfriamento rápido do metal fundido a taxas de resfriamento de 106°C/sec. Os átomos não ficam organizados em uma estrutura orientada de grãos (GO), mas, sim, distribuídos aleatoriamente. Depois do recozimento sob um campo magnético, esta liga exibe baixas perdas e ganha excelentes propriedades Magnéticas e Químicas, quando comparada ao material convencional.
Segundo (Salotti, 1999), as ligas amorfas para aplicação em transformadores de distribuição começaram a ser desenvolvidas em 1976 e até os períodos atuais estudos vêm sendo realizados e desenvolvendo melhoras significativas no rendimento final destes transformadores.
Segundo (Flores, 1989), as ligas amorfas apresentam as seguintes características:
A) Facilmente magnetizável; B) Alta resistividade elétrica;
C) Baixos níveis de perdas magnéticas por histerese; D) Alta resistência elétrica;
E) Estabilidade térmica; F) Longa vida útil;
G) Alta resistência à corrosão; H) Alta dureza;
I) Extrema ductibilidade.
2.2.3.3 Comparação entre ligas amorfas e aço silício
As características do metal amorfo são bem diferentes daquelas dos aços silício que são empregados atualmente na confecção dos núcleos dos
transformadores. As ligas metálicas como o aço silício, possuem estruturas atômicas cristalinas, onde os átomos estão arranjados em uma rede ordenada e repetida (Pronto, 2010). Diferentemente destas ligas os metais amorfos têm seus átomos distribuídos de um modo praticamente aleatório e desprovidos de ordem à longa distância, como nos vidros (Islam, 2012).
Os metais amorfos apresentam características magnéticas conhecidamente favoráveis ao estabelecimento da indução magnética. A ausência de uma estrutura cristalina em metal amorfo permite fácil magnetização do material (Da Silva, 2012).
A Figura 5 apresenta a diferença entre a estrutura do metal amorfo e o aço silício de grão orientado.
Figura 5: a) Estrutura Amorfa / b) Estrutura Cristalina
(a) (b)
Fonte: Da Silva, 2012
A curva de histerese de um material reflete essa facilidade de magnetização conforme apresenta a Figura 6:
Figura 6: Curva de magnetização
Fonte: Da Silva, 2012
A área interna do laço criado devido a magnetização e desmagnetização do material e é entendida como a energia perdida durante o processo, ou seja as perdas do núcleo são determinadas pela área da curva de histerese. Ainda pôde-se observar que a curva de magnetização da liga amorfa possuiu uma pequena magnetização. Esse fato ocorre devido à baixa coercividade, o que permite a rápida inversão de fluxo magnético e a excelente permeabilidade magnética desses metais (Da Silva, 2012). Esses fatores são determinantes para a melhoria da eficiência magnética refletindo em perdas menores com relação ao aço silício.
Além disso, o metal amorfo satura em um nível menor de magnetização. As ligas amorfas apresentam uma indução de saturação 20% menor quando comparado ao aço silício para mesma temperatura. Somado a isto, as perdas devido a corrente de Foucault são também menores no metal amorfo, devido a combinação de sua baixa espessura e uma elevada resistividade elétrica (Da Silva, 2012).
Os valores das perdas nos materiais utilizados para confecção dos transformadores são fornecidos pelos fabricantes em W/kg em função da indução. Neste contexto, a Figura 7 mostra o comparativo dos valores dessas perdas em ambos os materiais.
Nota-se que as perdas em W/kg do metal amorfo são significativamente menores do que as do aço silício. Essa característica é uma das grandes vantagens da utilização do metal amorfo na fabricação de núcleos de transformadores, pois esse material proporciona uma grande perda à vazio (Da Silva, 2012).
Outra grande vantagem do metal amorfo é que o mesmo admite uma espessura das lâminas do núcleo da ordem de magnitude 10 vezes menor do que o aço silício (Soltazandeh, 2012). Como se pôde observar os autores apresentaram três características muito positivas dos transformadores de núcleo amorfo são elas: redução das perdas por histerese, redução da espessuras das lâminas e a resistividade do material.
Figura 7: Comparativo das Perdas em W/kg
Fonte: Da Silva, 2012
A Figura 8 apresentada abaixo demonstra a distribuição da temperatura das perdas do núcleo quando observado através de uma câmera de raios infra-vermelho.
O Núcleo Amorfo indica uma elevação menor de temperatura devido à baixa perda inerente do Núcleo quando comparado ao aço silício.
Figura 8: Comportamento de temperatura a) núcleo amorfo / b) Aço silício
(a) (b)
Fonte: VIJAI, 2018
2.3 Rendimento de um transformador
Segundo (Lisita, L.R, 2004), o rendimento de um transformador é a razão entre a potência ativa aplicada na carga e a potência ativa proveniente da fonte entregue ao transformador. Conforme a Equação (1) apresenta abaixo:
(1)
Para que possa ser cumprida as perdas envolvidas no processo de transformação, é necessário que a potência de entrada seja igual a potência de saída incluindo a potência das perdas, como verificado abaixo na equação 2:
(2)
Desta forma, a Equação 1 pode ser reescrita de acordo com a Equação 3.
(3)
De acordo com (Chapman, 2013), a potência de saída do transformador pode ser determinada de acordo com a Equação 4, em que cos () é o fator de potência da carga.
As equações de perdas no cobre e perdas no ferro foram determinadas com base na massa, ou seja, de posse da massa dos enrolamentos e do núcleo é possível determinar as perdas nestes elementos, desta maneira, o rendimento pode ser determinado de acordo com a Equação 4.
(5)
É visto que as massas dos elementos que compõem o transformador influenciam em seu rendimento, pois quanto maior a massa menor será o rendimento. Desta forma, informações sobre os aspectos de construção e dos elementos construtivos são de fundamental importância para determinar quais diretrizes a serem aplicadas no projeto de um transformador.
2.4 Corrente de excitação
Segundo (Teixeira, 2011), a corrente de excitação de um transformador é a corrente drenada da fonte conectada ao seu primário quando o secundário encontra-se em aberto. Para o transformador ideal considera-encontra-se a corrente de excitação como nula.
2.5 Ensaios
Os ensaios constituem importantes testes realizados em transformadores para o estabelecimento de parâmetros e verificação do funcionamento dos mesmos e dependendo dos resultados, as características dos equipamentos podem ser mantidas ou alteradas com o objetivo de fornecer maior estabilidade e segurança durante o seu funcionamento.
2.5.1 Ensaio de perdas a vazio
O ensaio a vazio é utilizado para detectar as perdas do núcleo, neste ensaio o transformador fica em circuito aberto. Normalmente o ensaio é feito com enrolamento de baixa tensão (secundário) em aberto, não ligado a nada. Desta
forma, o transformador está então a vazio pois não há carga conectada ao secundário. Como não há carga no secundário a corrente neste enrolamento é nula, e a corrente no primário é mínima, suficiente apenas para promover a magnetização do núcleo. Aplica-se tensão nominal no primário e no secundário do transformador não há circulação de corrente. A corrente do primário tem valor muito baixo sendo responsável apenas pela magnetização do núcleo do transformador. Dessa maneira, podemos desprezar as perdas joule dos enrolamentos e as dispersões de fluxos, sendo somente consideradas as perdas no núcleo (KOSOW, 2015).
As duas principais perdas em vazio são: perdas por histerese (que são provocadas pela propriedade dos materiais ferromagnéticos de apresentarem um atraso entre a indução magnética e campo magnético) e as perdas por correntes parasitas (FERREIRA E FINOQUIO, 2016).
3 METODOLOGIA
Para execução deste estudo serão considerados dois levantamentos. Um levantamento de viabilidade econômica e outro com levantamento com o detalhamento da viabilidade técnica para a aplicação dos transformadores com núcleo amorfo em um determinado estudo de caso. A Figura 9 apresenta as etapas do estudo:
Figura 9: Fluxograma de estudo
FONTE: Autoria própria, 2018
3.1 Viabilidade técnica e econômica
Para comprovação da viabilidade técnica serão realizadas análises dos ensaios de perdas à vazio em que transformadores de distribuição de núcleo amorfo e núcleo de aço silício foram submetidos após o término da fabricação para comprovar grau de eficiência de ambos.
Para um comparativo preciso, foram utilizados nos ensaios transformadores com a mesma potência nominal, número de fases iguais e mesmas classes de tensão. Com isso conseguiremos dados detalhados a respeito da eficiência energética de cada um destes transformadores.
LEVANTAMENTO TÉCNICO
• ANÁLISE DOS ENSAIOS DOS TRANSFORMADORES • APLICAÇÃO DO CASO A APA CONFECÇÕES
• QUANTIFICAÇÃO DAS PERDAS À VAZIO EM AMBOS OS TRANFORMADORES
LEVANTAMENTO CONTÁBIL
• LEVANTAMENTO ORÇAMENTÁRIO
• QUANTIFICAÇÃO DO IMPACTO FINANCEIRO
PROVENIENTE AS PERDAS À VAZIO OCORRIDAS EM AMBOS OS NÚCLEOS
• LEVANTAMENTO DO CUSTO BENEFÍCIO DE IMPLANTAÇÃO
Para comprovação econômica, este estudo irá mensurar o impacto causado pelas perdas em ambos os núcleos. Serão levadas em consideração as possíveis reduções de custos operacionais geradas a partir da substituição dos transformadores.
A viabilidade econômica da aplicação destes transformadores será realizada através de cálculos relacionados ao custo benefício de implantação levando em consideração o custo evitado de energia.
Serão feitos levantamentos orçamentais para implantação dos transformadores que utilizam núcleo amorfo e núcleo de silício para determinação do custo benefício de cada um deles em uma projeção por um determinado período de tempo de utilização em longo prazo.
3.2 Estudo de caso aplicado a empresa Apa Confecções
O estudo de caso será aplicado a uma empresa do setor têxtil que possui em suas instalações três transformadores com núcleo de aço silício. Serão executados levantamentos para quantificar as perdas à vazio que ocorrem nestes transformadores e projeções das perdas à vazio em transformadores com núcleo amorfo com as mesmas especificações técnicas para pôr fim determinar a viabilidade técnica e econômica para implementação destes transformadores.
Para isto serão analisados os resultados dos ensaios de perdas à vazio dos transformadores que estão empregados na APA Confecções e os resultados dos ensaios de perdas à vazio que foram executados pela VIJAI que é a fabricante dos transformadores com núcleo amorfo no Brasil.
Após a determinação das perdas em ambos os núcleos, serão mensurados a redução do consumo e demanda propiciado pela substituição e o consequente impacto financeiro resultante.
Por fim, após uma análise de orçamentos será possível definir o tempo em que investimento resultante da substituição dos transformadores levará para proporcionar retorno aos investidores.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Este tópico trará uma abordagem sistemática dos resultados e discussões desta pesquisa. Inicialmente, este tópico apresenta comparativos entre às perdas à vazio em transformadores monofásicos e trifásicos para exemplificar de modo geral o ganho energético alcançado pelas baixas perdas que os transformadores com núcleo amorfo apresentam nas diversas classes de potência.
Serão detalhados também os resultados dos ensaios que foram realizados pela Romagnole nos transformadores que estão instalados na APA Confecções e compará-los com os resultados dos ensaios executados pela VIJAI em seus transformadores com núcleo amorfo para comprovação da viabilidade técnica para implantação dos transformadores com núcleo amorfo. Essa comparação será importante para o alcance do diagnóstico a respeito das perdas que estão ocorrendo atualmente nos transformadores com núcleo de aço silício que estão empregados na empresa.
O levantamento técnico trará uma abordagem sistemática da quantidade de energia desperdiçada atualmente pela APA Confecções devido as perdas à vazio que ocorrem em seus transformadores e ainda apresentará simulações com o detalhamento das perdas à vazio que ocorreriam caso fosse implantado o transformador de núcleo amorfo com as mesmas especificações técnicas.
Este tópico apresentará ainda o detalhamento da viabilidade econômica para implantação dos transformadores com núcleo amorfo na Apa Confecções através da contabilização do impacto financeiro causado pelos transformadores que lá estão instalados. Também serão executadas contabilizações referentes a economia que a implementação de transformadores de núcleo amorfo proporcionaria com a energia consumida e demanda evitada. E por fim a simulação de quanto tempo a APA Confecções levaria para obter retorno, o chamado payback.
4.1 Ensaios dos transformadores
Estes ensaios foram executados no Laboratório de ensaios elétricos da VIJAI Elétrica do Brasil localizado em João Pessoa-PB. A VIJAI é uma empresa que
fabrica tanto o transformador com núcleo de metal amorfo como o núcleo de aço silício.
Além dos testes realizados previamente em seus sub-componentes, cada transformador é ensaiado no laboratório de ensaios imediatamente após o processo de produção para assegurar-se a entrega do produto dentro dos parâmetros normativos.
4.1.1 Comparativo de perdas em vazio
Este ensaio é realizado nos transformadores para detecção das perdas que ocorrem no núcleo, por isto o detalhamento de seus resultados é de suma importância para comprovação da viabilidade técnica.
As duas principais perdas em vazio são: perdas por histerese (que são provocadas pela propriedade dos materiais ferromagnéticos de apresentarem um atraso entre a indução magnética e campo magnético) e as perdas por correntes parasitas.
4.1.1.1 Perdas a vazio em transformadores monofásicos
A Tabela 1 representada abaixo apresenta uma análise entre a diferença do comportamento das perdas em vazio nos transformadores de distribuição monofásicos que utilizam núcleo amorfo e núcleo de aço silício utilizando como base a classe 15KV. A Tabela apresenta uma analogia com os resultados deste ensaio para transformadores com a mesma classe de potência, aplicado a lotes de 5KVA a 100KVA.
Tabela 1: Comparativo de Perdas à vazio - Transformadores Monofásicos Monofásico - Classe 15KV Potência Perdas em vazio no transformador com núcleo amorfo (W) Perdas em vazio no transformador com núcleo de aço silício (W) Redução das Perdas Amorfo x Aço Silício (W) (KVA) 5 10 50 80% 10 14 60 76,67% 15 19 86 77,91% 25 28 120 76,67% 37,5 40 160 75,00% 100 70 280 75,00% Média 77%
Fonte: Vijai Elétrica, 2018
Como podemos observar na Tabela 1, as perdas em vazio nos transformadores monofásicos se apresentou em média 77% menor nos transformadores com núcleo amorfo. Essa diferença pode chegar a 80% para os transformadores monofásicos de 5KV, transformador esse que é muito empregado em zonas rurais.
4.1.1.2 Perdas a vazio em transformadores trifásicos
A Tabela 2 representada abaixo, apresenta uma análise entre a diferença do comportamento das perdas em vazio nos transformadores de distribuição trifásicos que utilizam núcleo amorfo e núcleo de aço silício utilizando como base a classe 15KV. A tabela traz uma analogia com os resultados deste ensaio para transformadores com a mesma classe de potência, aplicado a lotes de 15KVA a 300KVA.
Tabela 2: Comparativo de Perdas à Vazio - Transformadores Trifásicos Trifásicos - Classe 15KV Potência (KVA) Perdas no Núcleo Amorfo (W) Perdas no Núcleo de Aço Silício (W) Ganho Amorfo x Aço Silício (W) 15 30 100 70% 45 53 220 75,91% 75 90 330 72,73% 112,5 105 440 76,14% 150 135 540 75,00% 300 270 950 71,58% Média 74%
Fonte: Vijai Elétrica, 2018
Como podemos observar na Tabela 2, as perdas em vazio nos transformadores trifásicos se apresentou em média 74% menor nos transformadores com núcleo amorfo. Essa diferença pode chegar a 76,14% para os transformadores trifásicos de 112,5KV, transformador esse que é muito empregado nas regiões centrais das cidades.
4.2 Estudo de caso aplicado a APA confecções
Para comprovação da viabilidade econômica da implantação dos transformadores de núcleo amorfo este estudo de caso foi aplicado a uma empresa de grande porte do setor têxtil situada na cidade de Leopoldina – MG.
Foram feitos levantamentos para análises dos transformadores com núcleo de aço silício instalados nesta fábrica para posterior comparação com o modelo de um transformador de núcleo amorfo com as mesmas características. A APA Confecções
possui em sua fábrica 3 transformadores trifásicos com núcleo de aço silício que foram fabricados pela Romagnole. As características técnicas destes transformadores estão dispostas na tabela abaixo:
Tabela 3: Características Técnicas dos Transformadores da APA Confecções
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DOS TRANSFORMADORES DA EMPRESA APA
CONFECÇÕES
QUANTIDADE 3
FABRICANTE ROMAGNOLE
POTÊNCIA NOMINAL 300 KVA
CONEXÃO DYN1 TENSÃO PRIMÁRIA 13800 A 10200V CORRENTE PRIMÁRIA 12,55 A FREQUÊNCIA 60 Hz NUMERO DE FASES 3 TENSÃO SECUNDÁRIA 220 / 127 CORRENTE SECUNDÁRIA 787,3 DESLOCAMENTO ANGULAR 30 Fonte: Romagnole, 2015
3.2.1 Perdas à vazio nos transformadores da Apa Confecçôes
O Relatório de Ensaios dos transformadores que estão instalados na Apa Confecções apresentaram as altas perdas à vazio que ocorrem nos transformadores com núcleo de aço silício. Os resultados destes ensaios evidenciaram a possibilidade de melhoria dos índices de perdas à vazio e consequente redução dos desperdícios com uma possível substituição por transformadores de núcleo amorfo. Abaixo são apresentados na Tabela 4 os índices de perdas à vazio que foram detectadas no ensaio realizado pela Romagnole que é a fabricante dos transformadores que estão instalados na APA Confecções e índices de perdas a vazio registradas em transformadores de núcleo amorfo com as mesmas especificações técnicas:
Tabela 4: Comparativo com os resultados dos ensaios de perdas à vazio entre os núcleos de aço silício e núcleo amorfo
COMPARATIVO DOS RESULTADO DOS ENSAIOS DE PERDAS A VAZIO
NÚCLEO AÇO SILÍCIO 300 KVA NÚCLEO AMORFO 300 KVA
TRAFO 1 1182,42 W TRAFO 1 170 W
TRAFO 2 1199,45 W TRAFO 2 170 W
TRAFO 3 1243,88W TRAFO 3 170 W
TOTAL 3625,75 W TOTAL 510 W
Fonte: Romagnole, 2015 e VIJAI, 2018
O comparativo entre os ensaios de perdas à vazio mostram que as perdas que ocorrem no núcleo de ligas amorfas são em média 85,94% menores que nos núcleos de ligas de aço silício.
3.2.2 Quantificação das perdas à vazio
Para determinar a viabilidade técnica da implantação dos transformadores de núcleo amorfo da Apa Confecções é necessário quantificar as perdas à vazio que ocorreram no período de um mês.
Para isto foi necessário aplicar os valores das perdas à vazio de ambos os transformadores que foram obtidas através dos ensaios, levando em consideração a quantidade de horas e a metodologia de cobrança imposta pela distribuidora, com isso será possível determinar a quantidade de energia perdida conforme a Equação 5 apresenta:
∑ ∑ (5)
Onde:
PV = Perdas à vazio;
∑HS = Somatório de Horas (Mês);
Os resultados da aplicação da Equação 5 estão dispostos na Tabela 5 abaixo:
Tabela 5: Quantificação das Perdas à Vazio QUANTIFICAÇÃO DAS PERDAS - TRAFOS APA
CONFECÇÕES E TRAFO AMORFO
QTDE. DE HORAS – SETEMBRO PERDAS À VAZIO ATUAIS (AÇO SILÍCIO) PERDAS À VAZIO – MODELO PROPOSTO (AMORFO) 720 2610,9 KW/h 367,2 KW/h
Fonte : Autoria Própria, 2018
A Tabela 5 apresenta a disparidade entre perdas à vazio registradas entre os núcleos. Percebe-se que uma possível substituição dos transformadores de aço silício na APA Confecções resultaria em uma significante redução do consumo de energia daquela empresa. Se aplicados, os 3 transformadores com núcleo amorfo reduziriam o consumo da Apa Confecções em 2243,7KW/h no mês de estudo, o que representaria uma redução em média de 85,94%.
3.2.1 Contabilização financeira das perdas à vazio
Para determinar a viabilidade econômica da implantação dos transformadores de núcleo amorfo na APA Confecções é necessário contabilizar o impacto causado pelas perdas à vazio em sua fatura de energia.
No Brasil, as unidades consumidoras são classificadas em dois grupos tarifários: Grupo A, que tem tarifa binômia e Grupo B, que tem tarifa monômia. O agrupamento é definido, principalmente, em função do nível de tensão em que são atendidos e também, como conseqüência, em função da demanda (kW).
O enquadramento tarifário em que a APA Confecções pertence é subgrupo A4 que corresponde aos clientes industriais que utilizam nível de tensão entre 2,3 a 25KV. Neste grupo, a estrutura tarifária binômia que é aplicada a tarifação no consumo mensal e demanda máxima atingida. Neste caso o cliente contrata uma demanda máxima de potência ativa a ser obrigatoriamente e continuamente disponibilizada pela concessionária. Essa modalidade tarifária exige um contrato
específico com a concessionária, no qual se pactua a demanda pretendida pelo consumidor (Demanda Contratada), independentemente da hora do dia (ponta ou fora de ponta). A fatura de energia elétrica desses consumidores é composta da soma de parcelas referentes ao consumo (na ponta e fora dela), demanda e ultrapassagem.
Assim, as perdas à vazio registradas no mês foram divididas de forma que a tarifação delas ocorram dentro da metodologia estabelecida pela concessionária considerando horários de ponta e fora de ponta, conforme descrito pela Equação 6.
∑ ∑ ∑ ∑ (6)
Onde:
PV = Perdas à vazio;
∑HsFP = Somatório de Horas Fora de Ponta (Mês);
∑P.V = Somatório de Perdas à vazio Transformadores 1, 2 e 3; ∑HsP = Somatório de Horas de Ponta (Mês);
A partir da aplicação da Equação 6 foi possível dividir as perdas conforme estrutura tarifária da APA Confecções. Os valores obtidos estão descritos abaixo na Tabela 6:
Tabela 6: Perdas à Vazio em Horários de Ponta e Fora de Ponta
QUANTIFICAÇÃO DAS PERDAS À VAZIO - HORÁRIO DE PONTA E FORA DE PONTA (SETEMBRO / 18) QTDE DE HORAS FORA DE PONTA QTDE DE HORAS DE PONTA TRAFO AÇO SILÍCIO - HORÁRIO DE PONTA TRAFO AMORFO - HORÁRIO DE PONTA TRAFO AÇO SILÍCIO - HORÁRIO FORA DE PONTA TRAFO AMORFO - HORÁRIO FORA DE PONTA 663 57 206,70 KW/h 29,07 KW/h 2404,20 KW/h 338,13 KW/h
Com isso foi possível definir a quantidade total de energia desperdiçada nos transformadores instalados na APA Confecções para o mês de setembro e também projetar a quantidade de energia desperdiçada caso no mesmo período estivessem instalados na empresa transformadores de núcleo amorfo. Os resultados podem ser vistos na Tabela 7:
Tabela 7: Totalização das Perdas à Vazio para o mês de setembro / 2018
QUANTIFICAÇÃO DAS PERDAS A VAZIO - APA CONFECÇÕES - SETEMBRO 2018
NÚCLEO DE AÇO SILÍCIO (KW/h) NÚCLEO AMORFO (KW/h) GANHO DE ENERGIA (KW/h) 2610,9 367,2 2243,7
Fonte: Autoria Própria, 2018
O medidor localizado na APA Confecções registra sua memória de massa a cada 15 minutos o consumo da empresa distinguindo os horários de ponta e fora de ponta conforme disposições definidas na estrutura tarifária.
Tabela 8: Estrutura Tarifária Energisa Minas Gerais – Consumo
ESTRUTURA TARIFÁRIA
ENERGISA MINAS GERAIS – CONSUMO
PONTA FORA DE PONTA
ALÍQUOTA POR (KW/h)
ALÍQUOTA POR (KW/h)
R$ 1,63 R$ 0,08
Fonte: Energisa Minas Gerais
Os valores expostos na Tabela 8 estão contemplando a cobrança dos tributos federais (PIS / COFINS) e estaduais (ICMS).
Para quantificar economicamente as perdas à vazio em ambos os núcleos dos transformadores foi necessário aplicar o total de perdas a vazio de cada transformador nas Equações 7 e 8:
∑ (7)
Onde:
THP = Tarifa Horário de Ponta;
∑PVHP = Somatório de Perdas a Vazio na Hora de Ponta; $HP = Alíquota cobrada na Hora de Ponta.
∑ (8)
Onde:
THP = Tarifa Horário Fora de Ponta;
∑PVHP = Somatório de Perdas a Vazio no Horário Fora de Ponta; $HFP = Alíquota cobrada no Horário Fora de Ponta.
Com isso, foi possível quantificar economicamente as perdas técnicas dos transformadores da APA Confecções no mês de estudo e simular às perdas à vazio que ocorreriam no mesmo espaço de tempo nos transformadores de núcleo amorfo.
A Tabela 9 apresenta o resultado da quantificação econômica das perdas à vazio:
Tabela 9: Quantificação econômica das Perdas à vazio QUANTIFICAÇÃO ECONÔMICA DAS PERDAS À VAZIO –
SETEMBRO/2018
HORÁRIO DE
PONTA (R$)
HORÁRIO FORA
DE PONTA (R$) TOTAL (R$) TRAFO AÇO SILÍCIO R$ 336,20 R$ 189,38 R$ 525,58
TRAFO AMORFO R$ 47,28 R$ 26,63 R$ 73,91
Fonte: Autoria própria, 2018
A Tabela 9 apresentou a quantificação financeira das perdas à vazio nos transformadores que estão instalados na empresa e o resultado da simulação das
perdas nos transformadores com núcleo amorfo. Os transformadores com núcleo amorfo representariam uma economia de R$ 451,67 frente aos transformadores de aço silício. Isso representaria uma economia anual de R$ 5420,04.
Outro cálculo que deve ser feito para verificar a viabilidade financeira é mensurar os custos provenientes da redução da demanda consumida. Atualmente a empresa contrata junto a distribuidora Energisa Minas Gerais uma demanda de 510KW. A cobrança dessa demanda se dá conforme metodologia estabelecida pela distribuidora local, conforme a Tabela 10:
Tabela 10: Estrutura Tarifária Energisa Minas Gerais – Demanda
ESTRUTURA TARIFÁRIA ENERGISA MINAS GERAIS – DEMANDA
CONSUMIDO NÃO CONSUMIDO ALÍQUOTA POR KW UTILIZADO ALÍQUOTA POR KW NÃO UTILIZADO 506,1 3,9 R$ 25,86 R$ 20,99
Fonte: Autoria própria, 2018
A demanda referente as perdas à vazio se caracterizam como um custo que também deve ser considerado no cálculo de viabilidade econômica.
Porém essa redução de custo obtida com a redução das perdas também deve ser avaliada, para isto foi necessário calcular impacto desta redução de custo.
Tabela 11: Estrutura Tarifária Energisa Minas Gerais – Demanda
ESTRUTURA TARIFÁRIA ENERGISA MINAS GERAIS – DEMANDA
TIPO DE NÚCLEO CONSUMIDO (kW) NÃO CONSUMIDO (KW) ALÍQUOTA POR KW CONSUMIDO ALÍQUOTA POR KW NÃO CONSUMIDO TOTAL (R$) AÇO SILÍCIO 506,1 3,9 25,85623 20,99096 R$ 13.167,70 AMORFO 502,98425 7,01575 25,85623 20,99096 R$ 13.152,54
Fonte: Autoria Própria, 2018
O impacto nos custos que a redução da demanda conforme modelo de tarifação, resultaria numa redução de R$ 15,16 durante o mês de setembro e simulando esse custo para um período de um ano esse valor poderia chegar a R$ 181,92. Haveria a possibilidade de redução da demanda contratada mensal que poderia ser realizado pela APA Confecções junto a distribuidora, o que resultaria em outros possíveis ganhos financeiros.
3.2.2 Payback
Após a quantificação financeira do impacto das perdas a vazio dos transformadores em ambos os núcleos será possível estabelecer o cálculo da amortização desses valores num possível investimento de substituição dos transformadores da APA Confecções.
Segundo ABRAVA (2008) o Payback tanto o simples quanto o descontado, proporcionam informações nítidas a respeito da liquidez dos projetos desenvolvidos indicando ainda quanto tempo levará até que o valor do investimento seja recuperado, sendo esta uma maneira de apresentar as informações de maneira facilmente interpretável por empreendedores.
Análises orçamentárias foram realizadas para certificação dos preços dos transformadores de ambos os núcleos, como pode ser visto na Tabela 12:
Tabela 12: Orçamento dos Transformadores ORÇAMENTOS DOS TRANSFORMADORES
AÇO SILÍCIO AMORFO
R$ 16.850,00 R$ 19.816,00
Fonte: Autoria Própria, 2018
Os orçamentos apresentaram uma diferença significativa do valor entre os preços dos transformadores. Os transformadores com núcleo amorfo custam R$
2966,00 a mais que os transformadores com núcleo de aço silício. Essa diferença de preço é uma das maiores causas da rejeição destes transformadores por parte das concessionárias e empresas.
3.2.2.1 Payback Simples
O método Payback simples calcula o tempo de retorno do investimento inicial realizado. É um método limitado no sentido que sua análise não engloba correções monetárias, riscos, entre outros fatores.
Tendo em mãos os orçamentos e a quantificação financeira do impacto das perdas a vazio é possível definir o tempo de retorno do investimento no caso da escolha do transformador com núcleo amorfo. Aplicando esses valores nas Equações 9:
( ) ( ) (9)
Onde:
TR = Tempo de retorno;
RC = Quantificação Financeira da Redução do consumo; RD = Quantificação Financeira da Redução da demanda; PNAS = Preço do transformador de núcleo de aço silício; PNA = Preço do transformador de núcleo amorfo;
QT = Quantidade de Transformadores.
A amortização da diferença entre o transformador com núcleo amorfo e o transformador de aço silício possuem em média um tempo de retorno de dezenove meses.
3.2.2.2 Payback Descontado (PBD)
O termo Payback por si só consiste em determinar o número de períodos necessários para que o investidor possa recuperar seu investimento no projeto. Este é considerado o método mais simples para verificar-se o prazo de recuperação do investimento, dentro de um período esperado.
Seguindo o mesmo raciocínio, o Payback descontado consiste em representar o período de retorno do capital investido, só que considerando agora a taxa de juros e possíveis variações econômicas. Para a realização desta análise utiliza-se a Equação 10:
(∑ ( ) ) (10)
Onde:
n = corresponde ao período de recuperação do investimento/tempo de pagamento em meses ou anos;
FCt = Fluxo de caixa líquido no período;
i = Trata-se da Taxa de juros empregada; I = Investimento inicial;
t = Período do tempo do investimento.
Os resultados do Payback descontado apresentaram um panorama parecido com o Payback simples. O tempo amortização do investimento registrado neste método foi de 25 meses considerando 16% ao ano de taxa livre de riscos e projeção do Banco Central de reajuste médio de 4,8% ao ano para a fatura de energia. O investimento se mostrou viável levando em consideração a longa vida útil desses equipamentos.
4. CONCLUSÃO
Esse trabalho apresentou para as distribuidoras uma comprovação de que os transformadores com núcleo amorfo são viáveis, com a amortização do investimento inicial ao longo dos anos de operação destes equipamentos.
Ganhos importantes a partir da implantação deste estudo em todo o setor surtiriam grandes efeitos e a divulgação deste estudo pode resultar em uma confiança maior por parte das concessionárias e empresas durante a escolha de desses equipamentos.
Com relação ao estudo de caso aplicado a APA Confecções, a substituição dos transformadores com núcleo de aço silício por transformadores com núcleo amorfo resultaria em uma significativa redução do consumo de energia da empresa e demanda consumida, isso iria gerar uma economia financeira à longo prazo significante levando em consideração a vida útil estimada de 30 anos dos transformadores.
O Payback definiu entre dezenove e vinte e cinco meses o tempo de retorno para o investimento, que equivale um período curto. Isto avaliza a necessidade da implantação destes transformadores no sistema elétrico levando em consideração a rápida amortização do investimento e a redução das perdas à vazio.
4.1 Trabalhos futuros
4.1.1 Quantificação do impacto das Perdas à Vazio no Sistema Elétrico Brasileiro
Durante pesquisa para o desenvolvimento deste trabalho, constatou-se que aparentemente nunca houve um estudo do impacto das perdas à vazio que ocorrem no sistema elétrico brasileiro devido a utilização de transformadores ineficientes. Estudos parecidos foram desenvolvidos na Europa e Estados Unidos e após a apresentação dos resultados destes estudos os órgãos responsáveis passaram a estimular o emprego de transformadores com núcleo amorfo através de subsídios para a compra por parte das concessionárias distribuidoras.
